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相对论：疑点、矛盾与错误同在的理论
杜小红
Email. tcfdu@tom.com
爱因斯坦的相对论非常深奥，以致于一般人难以理解。但深奥不等于正确。相对论问世以后一直是有争议的，非难和质疑始终伴随着它。有的科学家根本不接受它；有的科学家对它持保留态度；拥护相对论的科学家，也有各种不同的理解，说法不一。这是由于相对论体系存在着许多内在矛盾，立论模棱两可造成的。
相对论虽然有一些实验作为依据，但也有不少与经验事实相违背的地方。有些实验结果固然与相对论相符，但未必就不能用其它理论来说明。
本文试图从理论上来分析相对论的诸多疑点、矛盾与错误。不同的见解可以让人更清楚地看到真理。
空间真能缩短？
按照相对论原理，物体以高速度v运动时，其长度相对于静止的参照系会发生缩短。用公式表示就是：L=L0(1- v2/c2)1/2 其中L0是静止时的物体长度，c 是光速。通过计算，我们可以得出如下结论：v=0.6c时，L=0.8 L0；v=0.8c时，L=0.6 L0；v=0.9998c时，L=0.02 L0。速度越大，长度缩短的效应就越显著。当v接近于光速c时,长度缩短到差不多为零。而当v﹤﹤c时，L极其接近于L0，长度缩短的效应就测不出来。
让我们来设想一个极限状况。我们向黑暗中发射一束光脉冲，这束光脉冲飞向前方然后消失在黑暗中。按照相对论原理，这束光以百分之百的光速c 向前运动，其长度会缩短为零，也就是没有长度。没有了长度，宽度怎么存在？宽度也就没有意义了。那么这束光岂不是缩短到“消失”了？人眼也就看不到它了，这简直让人难以想象！
但事实是我们的眼睛能够看到它。而我们的眼睛要看到任何物体，都需要光的传播来实现，如果光都缩短到“消失”了，人类眼前的世界只能是一个黑暗的世界了。那可真是暗无天日了！
如果光本身只是一种波动，不是一种实体物质，那么这个问题就不存在了。因为我们不能要求一种并非实体物质的抽象的运动状态发生缩短效应。但是，科学又告诉我们，光又具有粒子性。光的“波粒二象性”是为众多实验所证实的。既然光具有粒子性，那就不能排除光本身作为一种实体物质的收缩效应。而其收缩又是与日常生活显然相违背的，在日常生活中并没有发生。
“圆盘疑难”同样是被用来怀疑相对论的“空间缩短”效应的。假设有一个直径达２０００公里的巨大圆盘在高速旋转，转速为每秒４０圈，那么圆盘边缘的线速度将达每秒２５万多公里，略高于光速的5/6。按照相对论原理，圆盘周长应从6283公里收缩为3457公里。而半径方向没有运动，所以不能收缩。这样，整个圆盘将收缩成一口锅。现在的问题是：圆盘两面没有任何差别，圆盘将向上收缩还是向下收缩？为什么？
爱因斯坦对这一问题的回答是：“圆盘边缘的运动是圆周运动，所以不能用狭义相对论，而要用广义相对论来解释……”这种解释是令人生疑的。广义相对论是引力理论，行星绕恒星旋转时，外缘行星（如冥王星）公转要慢的多，而圆盘旋转角速度从中心到边缘是一样的，二者运动机制不同。爱因斯坦用行星绕恒星旋转的机制来解释圆盘疑难，当然令人难以信服。
时间真能延缓？
同理，按照相对论原理，当物体以高速度v运动时，其内部物理过程所需时间相对于静止的参照系会发生延缓，也就是物体内部时钟会变慢。用公式来表示就是：T= T0 / (1- v2/c2)1/2其中T0是物体静止时其内部物理过程所需时间，c是光速，T是物体高速运动时其内部物理过程所需时间。通过计算，我们可以得出如下结论：当v=0.6c时，T =1.25 T0；v=0.8c时，T =1.67 T0；v=0.9998c时，T =50 T0。速度越快，时间延缓效应就越显著。当v接近于光速时，时间延缓效应将非常大。而当v﹤﹤c时，T极其接近于T0，时间延缓效应就测不出来了。
同样是上面的极限情况，那束光脉冲的内部物理时间因其v=c而使T= T0/0。这个算式因其分母为零而没有意义。但实际的情况是，这束光以光速前進，导致算式的分母必然为零。暂不讨论算术本身，按照以上推论，这束光的内部物理时间按相对论来说会慢到“停滞”。也就是说，光以光速运动不需要花时间，这本身就是一个矛盾。如果不需要花时间，那么光速就是无穷大，远超过3.00*108米／秒。这显然与已有的科学事实相违背。
“时间佯谬”问题同样是针对相对论“时间延缓”的可疑结论所提出的。按照相对论原理，如果有双生兄弟二人，一人乘飞船以速度v离开地球，若干年后回到地球，不可思议的事情发生了，两兄弟彼此都认为对方比自己年轻。因为地上的兄弟以地球为参照系，认为宇宙飞船在高速运动；而宇航员以飞船为参照系，认为地球在高速运动。高速运动导致时间延缓，所以对方比自己年轻。这一难以解释的问题就是著名的“时间佯谬”问题。
对此，爱因斯坦是怎么解释的呢？他认为飞船由静止状态到以一定速度运动的过程是一个加速过程。由于加速的作用，使飞船上的宇航员成为年轻的一方。当宇航员回到地球之后，他比地球上的兄弟年轻。因此，所谓的“时间佯谬”是不存在的。
但是，爱因斯坦所讲的“加速”是相对于什么坐标系来讲的？大概是指地球坐标系吧。如果飞船对于地球有加速运动，那么地球相对于飞船是否也有加速运动？地上的观测者和飞船上的观测者是处于对等地位的。如果说作加速运动的只是飞船，不是地球，这就等于否定了加速运动的相对性，也就否定了相对时空观的基本出发点。所以，爱因斯坦对“时间佯谬”的解释是牵强而难以令人信服的。
相对论效应的真假问题，在相对认问世之初就是有争议的，常受到来自理论和实验两方面的非难。其中“圆盘疑难”和“双生子佯谬”，是人们从理想实验方面提出来的非难。爱因斯坦对这两个问题的解释是缺乏说服力的。
质量真能增加？
相对论认为，质量是一个随物体运动速度而变化的“相对量”，速度使物体质量增加，用公式表示就是：m=m0/(1- v2/c2)1/2其中m0是物体静止时的质量，c是光速，m是该物体在速度为v时的质量。
牛顿经典力学认为质量即物质所包含的量，并不包括任何运动所赋予物体的惯性质量。爱因斯坦则认为质量包括动质量和静质量，静质量是物体相对于地球静止时的质量，即m0，动质量是由于物体运动所增加的惯性质量，两者相加即总质量。
物体相对于地球表面静止，但相对于宇宙空间，却随着地球在运动。牛顿经典力学的质量只是指物质所包含的量，并没有把物体随地球运动所形成的侧向惯性质量计算入内。而相对论者却把物体运动所形成的惯性质量也计算入质量之中，那么质量当然要增加了。因此，是相对论者对质量的错误再定义导致了错误的质速关系式。
“信息真实”存在吗？
２０世纪９０年代，有中国学者指出：爱因斯坦说的“尺缩钟慢”的效应不是指事物本体意义上的真实，而是指信息意义上的真实。也就是说，飞船实际上并没有缩短，而是飞船从太空中发回的“图像”变短了。时间也没有延缓，只是从太空中发回信息延迟了。“尺缩钟慢”不是真实的物理存在，而是人为选择参照系所造成的测量结果“失真”。但是，所谓的“信息真实”存在吗？让我们来看一看相对论是怎么论证“尺缩钟慢”效应的。
１、 相对论对“空间缩短”的论证：
假设有一列火车以匀速v向前行驶，车厢内有一个光源，光源前方（以前進方向为前方）放置一面反射镜。光源与反射镜之间的距离设为L0。从光源发出一个光脉冲，到达镜面后又被反射回来。如图（１）。
以地面为参照系，光从发出到反射回原位历时T。它分为两个部分：光从发出射到镜面历时t1，光被反射并回到光源处历时t2。考虑到火车带动反射镜以速度v向前运动，光从发出到到达镜面，反射镜向前运动了vt1的距离，因此ct1=L+vt1，故t1=L/(c-v)。同理，光被反射回到光源处，光源向前运动了vt2的距离，因此ct2=L-vt2，故t2=L/(c+v)。于是T=t1+t2= L/(c-v)+ L/(c+v)=2L÷c(1- v2/c2)。考虑到时间延缓，这一过程所用时间T= T0 / (1- v2/c2)1/2。代入上式可得：T0=2L* (1- v2/c2)1/2/c(1- v2/c2)=2L/c(1- v2/c2)1/2 式(1) 。
但从车厢为参考系来分析，T0应是光在光源与反射镜之间来回的时间，其距离为L0，速度为c，所以T0=2
L0/c 式(2)。联立(1) (2)两式，可得2L/c(1- v2/c2)1/2=2
L0/c， 所以L=L0(1- v2/c2)1/2。
于是，相对论者得出结论：空间在其运动方向上缩短了。不但两个质点之间的距离要发生收缩，运动的物体本身在其运动方向上也要发生收缩。
２、 相对论对“时间延缓”的论证：
假设有一列火车以匀速v向前行驶，车厢侧壁上装有一光源，光源正对面放置一面反射镜。以车厢为参照系，车厢宽度为L0，光速为c，光源发出一个光脉冲射向反射镜，又被反射回光源，如图(2) 。这一过程中，车厢时钟经过时间T0=2 L0/c 式(1)。
若以地面为参照系，由于火车的运动，光讯号相对于地面走的是如图(3)路线，相对于地面所需时间T=2[L02+(vT/2)
2] 1/2/c 式(2)。联立(1) (2)两式，可得T= T0 /
(1- v2/c2)1/2。
由此，相对论者指出：在一个惯性系中，运动的时钟比静止的时钟走的慢。这就是相对论的时间延缓效应。
但是，相对论者的论证是有问题的。狭义相对论认为：光速与光源速度无关，这一点本人完全认同。那么，垂直于车厢的光脉冲脱离光源后，并不随车厢发生向前的位移，只是沿脱离光源时的方向，即垂直于车厢前進。这就产生一个问题：如果车速足够快的话，比如说将来的火车速度可达到光速c，当光脉冲射到镜面处时，镜面已随着火车以光速c运动到前方去了。光脉冲扑了个空，不能发生反射了。
这种极限状况使这个问题非常严重，怎么解决这个问题呢？只有使假设中的光脉冲偏向火车前進方向发射，才能在高速运动中使光线恰好射在反射镜上。而且火车速度越快，这种偏射角越大。
事实上如果火车速度真的达到光速c，光脉冲想要追上反射镜，只能与火车前進方向保持一致。稍有偏差，就是“差之毫厘，失之千里”。但这样一来，它永远也不可能到达反射镜了，因为它们的运动轨迹永远是两条不再相遇的平行线。一个本来瞬间就可完成的“相遇”，偏要它花费“永远”也不能完成。于是相对论者们感叹道：时间因物体的运动速度达到光速而“停滞”了。
现在，我们不谈这个极限状况，只说火车速度略小于光速，光脉冲偏向射出，恰好到达反射镜，并被反射回原位。这样一来，就能满足论证所提出的假设条件：以车厢为参照系，光脉冲垂直往返；以地面为参照系，光线实际所经过的路线是一个“∧”字形（如图(3)）。光脉冲同样完成一个往返，火车静止和运动时有什么不同呢？静止时光脉冲是直去直回，而运动时光脉冲却要以“∧”字形折远才能完成，多跑了些冤枉路，当然耗时要多了。相对论者“看不出”这是因为光脉冲绕了远路，反而说这是因为“时间延缓”了。
那么为什么相对论者看不出光脉冲因偏向射出而折了远路呢？我想是因为相对论者在论证时又想当然地认为光速与光源速度有关的缘故。如果光速与光源速度有关的话，光只管自己直去直回，火车前進带给光脉冲的惯性自然使它恰好到达反射镜并恰好被反射回光源处。在火车上垂直扔出一个小球并被弹回原处就是这样的。但是光不是火车上的小球，光速恰恰与光源速度无关。狭义相对论也认为：光速与光源速度无关。光线一旦脱离光源，并不随光源运动，而是在脱离时的位置，沿脱离时的方向前進。正是因为这一小小的失误，使相对论者看不出光脉冲绕了远路，从而得出了错误的结论。
循环论证的错误
按照相对论的说法，高速运动会导致“空间缩短”和“时间延缓”，因此空间和时间似乎是由速度决定的。但速度本身又需要时间和空间来确定：v=s/t是最基本的速度公式。这就产生一个矛盾：到底是时空决定速度，还是速度决定时空呢？
高速运动中“空间缩短”和“时间延缓”这两种效应是同时发生的，这反过来将导致运动速度v的不确定：v=s/t = L0(1- v2/c2)1/2÷T0/(1- v2/c2)1/2= L0 *(1-v2/c2) / T0。如果式中v=c，则上式计算结果为v=0。这显然是一个天大的矛盾。
实际上，相对论中存在一个逻辑循环的暗伤：速度决定时空，反过来时空又决定速度，这一自相矛盾是难以自圆其说的。
相对论基本原理质疑
“相对性原理”和“光速不变原理”是狭义相对论的两条基本原理。事实上这两条原理都有问题：
首先，不同的参照系不可能完全对等。爱因斯坦自己也承认不同坐标系的惯性是存在差别的，有些坐标系的惯性好些，有些坐标系的惯性差些（如有名的双生子佯谬）。这就是说不同的坐标系在“惯性”这一点上，并不总是能够对等的。既承认坐标系的不对等，又企图说服别人坐标系具有对等性，这岂非自相矛盾？
其次，光速也非不变。相对性原理告诉我们，没有绝对的运动。但相对论同时又告诉我们相对于任何运动状态的参照系，光速是不变的，是绝对的。这样一来，光速本身就属于绝对运动。既说没有绝对运动，同时又存在绝对运动的光速，这不是自相矛盾吗？
爱因斯坦自己在“论动体的电动力学”一文中，就使用了三种不同的光速。现摘引如下：
１、“……在静系看来，光始终以速度(c2－v2)1/2沿着这些轴传播……”。
２、“……光（像光速不变原理和相对性原理所共同要求的）在动系中量度起来也是以速度c传播的……”
３、“但在静系中量度，这道光线相对于Ｋ的原点以速度(c-v)传播……”
以上这些论述体现着爱因斯坦的头脑中光速也是可变的，但在相对论中他又是如此明确地坚持光速不变，这不又是自相矛盾？
相对光速是可变的
爱因斯坦认为：对于任何惯性系，真空中的光速是一恒量，它和参照系的运动状态没有关系，它不能和其他任何速度進行迭加。
对于这一点本人不能认同。我认为光速和参照系的选择绝对有关系，相对光速是可变的，光速在相对状态下应该和其他速度進行迭加。
比如说两艘外星人的飞碟并排以光速c向地球飞行。对于其中一艘飞碟，另一艘飞碟始终与自己并列同速前進，相对速度为零。若两艘飞碟以光速c相向飞行，则其中一艘对于另一艘的相对速度为2c。光速也是如此，在不同的相对状态下，速度可以而且应该進行迭加，才能得出正确的相对光速。
事实上正是因为“光速不变”的错误论断才得出了“时间延缓”的错误结论。在“时间延缓”的论证中，光脉冲偏向射出，若偏向光的速度为c，那么以车厢为参照系时，垂直于车厢的光的速度就不能是c。考虑到火车速度v的影响，垂直于车厢的光的速度应该是(c2-v2)1/2。这就是说，以车厢为参照系，垂直于车厢的光的速度不再是c，而是(c2-v2)1/2 。则T0=2 L0/(c2-v2)1/2 式(1)。而T=2[L02+(vT/2) 2] 1/2/c 式(2)。联立(1) (2)两式，可得T= T0，即时间没有延缓。
所以，相对认的“时间延缓”的结论是错误的。时间根本没有延缓，只是被用来计时的“光脉冲”折了远路而相对论者没有想到。
同时，我们从相对论者对“空间缩短”和“时间延缓”的论证中可以看出一个矛盾：相对论者在证明“尺缩钟慢”效应时，首先论证速度v导致“时间延缓”，再将“时间延缓”所得公式T= T0 / (1- v2/c2)1/2直接代入“空间缩短”的论证之中，得出空间缩短的公式L=L0(1- v2/c2)1/2。但是，按照相对论原理，“尺缩钟慢”效应是同时发生的，如何分出谁先谁后呢？再次，在论证“时间延缓”时并没有考虑“空间缩短”。若空间缩短了，图(3)中光源位移距离vT还能是vT吗？上述相对论者的“时间延缓”的论证还能成立吗？
事实上，“时间延缓” 效应并不存在。相对论的“空间缩短”是从“时间延缓”推导而来的，因而也不成立。
“洛仑兹收缩”根本就不存在
有些相对论者在证明“尺缩钟慢”效应时，直接以洛仑兹变换式代入计算，即可得出所需结论。殊不知洛仑兹变换式本身也犯了与相对论相同的错误：错误地认为光速不变。所以，这样得出的结果同样是不可信的。
让我们来看一看洛仑兹变换的推导过程：
假设惯性参照系S’以速度v沿S参照系Ｘ轴正方向作匀速直线运动，并以O和O’重合时为计时起点。（如图(４)）S系中的观察者在t时刻观察到一质点P，P在S系中的坐标为(x,y,z,t)，而该质点P对于S’系中的观察者来说，它对于S’系的坐标为(x’,y’,z’,t’)。同一事件（质点P的出现），其时空坐标(x,y,z,t)和(x’,y’,z’,t’)之间是怎样的变换关系呢？洛仑兹经过了复杂的推导过程，给出了最后结论：
以上四式即洛仑兹时空变换公式。
在推导过程中，洛仑兹认为在起始时刻（t=t’=0，O与O’重合）。假设从O与O’的重合点发出一束沿OX方向传播的光线，之后对光到达的任何点在S、S’坐标系中分别有x=ct，x’=ct’。在两个坐标系中，光速均为c，符合光速不变原理。可见，洛仑兹变换式同样是以错误的光速不变原理为基础推导出来的。
S系静止，光速为c没有疑义。但是，S’系以速度v沿X轴正方向作匀速运动，光速在S’系中的速度还是c吗？我认为应当是(c-v)，而不是c。让我们以在S’系中光速=(c-v)来進行推导：
同样，我们把光局限在X轴上传播，则Y轴、Z轴都不必考虑，使推导过程得以简化。由图(４)可得：︱OO’︱+x’=x，其中︱OO’︱=vt，x’=(c-v)t’，x=ct，则vt+(c-v)t’=ct，進一步可得：(c-v)t’=(c-v)t，推出t=t’。
结论：无论两个坐标系怎样相对运动，都是推导出t=t’，即绝对时间。同理，亦可推出绝对空间x=x’。所以，绝对时空观是一种应该从新肯定的正确的时空观。
让我们再反过来想一想，假如一定要使x=ct、x’=ct’且t≠t’，只有使光源在任意时刻都在O、O’两点之间以无限大的速度跳来跳去，才能做到光源既在O处又在O’处。但是，这可能吗？显然是不可能的。
所有形式的洛仑兹变换无不以“光速不变原理”这个错误的前提推导而来，包括那些利用勾股定理進行推导的相对论发展者，其推导过程中仍然利用了“x=ct，x’=ct’”这一光速不变的错误前提。前提都是错误的，结论能正确吗？
所以，所谓的“洛仑兹收缩”根本就不存在。
二十世纪八十年代，在中国《自然辩证法通讯》第三期上发表了一篇介绍洛仑兹的文章，文中写道：“爱因期坦认为长度收缩并非真实存在，而是人为选择参照系所造成的测量结果。洛仑兹认为长度收缩肯定存在，是由分子力造成的。”洛仑兹的推导使一部分人真的相信速度能使长度发生收缩，以为是分子力造成的，通过以上分析相信能引起您的反思。
综合以上论证和考量，本人认为：（１）空间不能因加速而缩短。（２）时间不能因加速而延缓。（３）质量不能因加速而增加。（４）所谓的“信息真实”也不存在。（５）“相对性原理”和“光速不变原理”这两条基本原理都有问题。不同的参照系不可能完全对等。相对光速应是可变的。（６）“洛仑兹收缩”根本就不存在。（７）绝对时空观是一种应该从新肯定的正确的时空观。（８）虽然相对论中存在不少错误的前提和结论，但仍有一些结论难以驳倒，因此不能全盘否定相对论。
（个人浅见，欢迎批评指正！）
参考书目：
１、《时间-空间飞船——相对论的哲学问题》
２、《近代物理学问题——相对论质疑》
３、《时空理论新探》
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